基于阿克曼原理的车式移动机器人运动学建模1
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第 4卷第 6期
智 能 系 统 学 报
Vol. 4 №. 6
2009年 12月
CAA I Transactions on Intelligent System s
Dec. 2009
doi: 10. 3969 / j. issn. 167324785. 2009. 06. 011
基于阿克曼原理的车式移动机器人运动学建模
任孝平 ,蔡自兴
(
中南大学 信息科学与工程学院 ,湖南 长沙 410083
)
摘 要 :基于阿克曼原理的轮式移动机器人运动学模型对于无人驾驶车辆的研究有着重要的意义. 对轮式移动机器
人的运动学特性进行了分析 ,建立了不考虑滑行 、刹车等的轮式移动机器人的运动学模型. 对该运动学模型引入了
阿克曼约束 ,给出了描述机器人运动状态的转向角、航向角和转弯半径等物理量的数学公式. 最后对该运动学模型
进行仿真实验 ,验证了所建立的运动学模型的正确性 ,为进一步研究轮式移动机器人提供了理论分析的基础.
关键词 :轮式移动机器人 ;运动学模型 ;阿克曼原理 ;转向特性
中图分类号 : TP242. 6 文献标识码 : A 文章编号 : 167324785
(
2009
)
0620534204
Using the Ackerman principle for
kinematic modeling of wheeled mobile robots
REN Xiao2ping, CA I Zi2xing
(
School of Information Science & Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
)
Abstract:Applying the Ackerman p rincip le to kinematic modeling of wheeled mobile robots is of vital importance
for imp roving the performance of unmanned autonomous vehicles. The kinematic characteristics of wheeled mobile
robots were analyzed in this paper, and a kinematic model was set up that did not consider sliding or braking. The
Ackerman principle was then introduced to this kinematic model. Mathematical formulas were proposed for turning
angle, steering angle and turning radius. These accurately reflect the movement status of the mobile robot, provi2
ding a theoretical basis for analysis of future intelligent vehicles. The conclusions were validated through a simula2
tion.
Keywords:wheeled mobile robot; kinematics model; Ackerman principle; turning characteristics
收稿日期 : 2009210202.
基金项目 :国家自然科学基金资助项目
(
90820302, 60805027
)
;国家
博士点基金资助项目
(
200805330005
)
;湖南省院士基金资
助项目
(
2009FJ4030
)
.
通信作者 :任孝平. E2mail: xiaopingren@gmail. com.
自主移动机器人的运动轨迹控制至关重要 ,而
确定运动轨迹的关键因素是建立准确的运动学模
型
[ 1 ]
,它是对 机 械系 统 如何运动 的 最基 本 的 研
究
[ 2 ]
. 目前有关运动学的理论分析和建模方法已经
得到了深入的研究 ,而且广泛地应用于各种类型的
移动机器人上
[ 1, 324 ]
.
机器人的运动机构较之普通的车辆来说更为复
杂 ,因为它要能应用在种类繁多的环境中. 由于不同
的移动机器人面临各种不同环境 ,没有单一的轮子
结构可以使它们对环境的机动性、可控性和稳定性
达到最大. 目 前 移动 机 器人的 轮子结 构 种类 繁
多
[ 5 ]
,常用的轮子类型有
[ 6 ]
:标准轮、小脚轮、瑞典
轮和球形轮等. 在运动学方面 ,它们的差别很大 ,从
而对整个机器人的运动学有很大的影响
[ 2 ]
. 普通汽
车大都为高度标准化的环境
(
公路网络
)
而设计 ,全
部共享相同的轮子结构 ,使得它们对标准化环境的
这些品质可以最大化. 汽车中广泛采用的 Ackerman
(
阿克曼
)
轮子结构 ,除了应用于为道路系统设计的
移动机器人外 ,其他机器人很少使用. 文献 [ 7 ]主要
研究了控制四轮车辆的稳定驾驶的问题 ,目前对四
轮车式移动机器人的运动学建模的文献相对较少.
1 四轮车式机器人的运动学建模
首先对四轮车辆的水平面运动进行研究. 在整
个分析过程中 ,将机器人建模成轮子上的一个刚体 ,
运行在水平面上时 ,车轮与地面只有点接触 ,轮子不
可发生形变且是纯滚动 ,不发生滑行、刹车等行为 ,
忽略车轮外倾、侧偏以及轮胎的影响
[ 8 ]
. 针对车式
机器人的运动学建模 ,不能单一用后轴中点进行建
模
[ 9 ]
,还应该取前轴或者其他参考点. 这是因为车
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